21 серпня професор М.А. Ченг з Китайського університету науки і технологій (USTC) та його колеги запропонували ефективну стратегію вирішення проблеми контакту електрода та електроліту, яка обмежує розробку твердотільних літієвих акумуляторів наступного покоління. Створений таким чином твердотільний композитний електрод продемонстрував виняткову ємність та швидкість роботи.
Заміна органічного рідкого електроліту у звичайних літій-іонних акумуляторах твердими електролітами може значно зменшити проблеми безпеки та потенційно подолати «скляну стелю» для покращення щільності енергії. Однак, основні матеріали для електродів також є твердими речовинами. Оскільки контакт між двома твердими речовинами практично неможливий, щоб бути таким же тісним, як між твердим та рідким, наразі акумулятори на основі твердих електролітів зазвичай демонструють поганий контакт між електродами та електролітами та незадовільну роботу всіх елементів.
«Проблема контакту електродів та електролітів у твердотільних акумуляторах чимось схожа на найкоротшу палицю дерев'яної бочки», — сказав професор М.А. Ченг з USTC, провідний автор дослідження. «Насправді, за ці роки дослідники вже розробили багато чудових електродів та твердих електролітів, але поганий контакт між ними все ще обмежує ефективність транспортування літій-іонних батарей».
На щастя, стратегія MA може подолати цю складну проблему. Дослідження розпочалося з атомного дослідження домішкової фази в прототипі твердого електроліту зі структурою перовскіту. Хоча кристалічна структура домішки та твердого електроліту значно відрізнялася, було виявлено, що вони утворюють епітаксіальні межі розділу. Після серії детальних структурних та хімічних аналізів дослідники виявили, що домішкова фаза є ізоструктурною з високоємними шаруватими електродами, багатими на літій. Тобто, прототип твердого електроліту може кристалізуватися на «шаблоні», утвореному атомним каркасом високопродуктивного електрода, що призводить до атомарно близьких меж розділу.
«Це справді несподіванка», — сказав перший автор Л. І. Фучжен, який зараз є аспірантом USTC. «Наявність домішок у матеріалі насправді є дуже поширеним явищем, настільки поширеним, що здебільшого їх ігнорують. Однак, уважно дослідивши їх, ми виявили цю несподівану епітаксіальну поведінку, і вона безпосередньо надихнула нас на розробку стратегії покращення контакту твердих тіл».
Порівняно з поширеним методом холодного пресування, стратегія, запропонована дослідниками, може забезпечити ретельний, безшовний контакт між твердими електролітами та електродами на атомному рівні, що відображається на зображенні електронної мікроскопії з атомною роздільною здатністю. (Надано командою MA.)
Скориставшись спостережуваним явищем, дослідники навмисно кристалізували аморфний порошок того ж складу, що й твердий електроліт зі структурою перовскіту, на поверхні шаруватого з'єднання, багатого на літій, і успішно реалізували ретельний, безшовний контакт між цими двома твердими матеріалами в композитному електроді. Вирішивши проблему контакту електрод-електроліт, такий композитний електрод тверде тіло-тверде тіло забезпечив швидкість, порівнянну навіть з такою у композитного електрода тверде тіло-рідина. Що ще важливіше, дослідники також виявили, що цей тип епітаксіального контакту тверде тіло-тверде тіло може переносити великі невідповідності кристалічних решіток, і таким чином запропонована ними стратегія може бути застосовна і до багатьох інших твердих електролітів на основі перовскіту та шаруватих електродів.
«Ця робота вказала напрямок, який варто розвивати», — сказав М.А. «Застосування принципу, викладеного тут, до інших важливих матеріалів може призвести до ще кращих характеристик клітин та цікавішої науки. Ми з нетерпінням чекаємо на це».
Дослідники мають намір продовжити свої дослідження в цьому напрямку та застосувати запропоновану стратегію до інших високоємних катодів з високим потенціалом.
Дослідження було опубліковано в Matter, флагманському журналі Cell Press, під назвою «Атомно-тісний контакт між твердими електролітами та електродами для літієвих батарей». Першим автором є Л. І. Фучжень, аспірант USTC. Серед співробітників професора М. А. Ченга — професор НАН Це-Вень з Університету Цінхуа та доктор ЧЖОУ Лінь з Лабораторії Еймса.
(Школа хімії та матеріалознавства)
Посилання на статтю: https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(19)30029-3
Час публікації: 03 червня 2019 р.